Геометрические параметры и материал втулок.
У бензиновых автомобильных двигателей температура впускного клапана достигает 400 °С, а выпускного более 800 °С. Впускные клапаны омываются топливовоздушной смесью, а выпускные — отработавшими газами.
При этих условиях втулки клапанов должны прочно сидеть в головке блока цилиндров, осуществлять смазку и обеспечивать отвод тепла от стержня клапана. Требования к геометрии направляющих втулок и характеру их сопряжений по наружному диаметру (D) в головке блока и по внутреннему диаметру (d) со стержнем клапана строго нормированы (рис. 17, 18, табл. 4).
На рис. 17 представлены направляющие втулки клапанов двигателей ВАЗ. Втулки впускного и выпускного клапанов легко отличить: у втулки впускного винтовая канавка для удержания масла нарезана на половину длины втулки, что уменьшает поступление масла в камеру сгорания, а втулка выпускного для лучшего отвода тепла сделана более длинной.
Для головок блоков цилиндров из алюминиевых сплавов втулки изготавливают из чугуна (двигатели ВАЗ, см. рис. 17), из латуни или бронзы (см. рис. 18).
Бронзовые и латунные втулки обеспечивают более интенсивный отвод тепла от стержня клапана и лучше работают в условиях недостаточной смазки. Их обычно устанавливают в более форсированных двигателях, в которых условия смазки стержней выпускных клапанов весьма неблагоприятны из-за высокой температуры последних, а стержней впускных клапанов — вследствие выдувания и смывания масла топливовоздушной смесью, постоянно находящейся во впускном трубопроводе под пульсирующим давлением. Латунь лучше чем чугун работает в условиях ограниченной смазки, ее теплопроводность (см. табл. 5) в два раза выше, чем у чугуна
У латунных втулок есть смысл изменить посадочную поверхность под маслоотражательный колпачок, удалить канавку под стопорное кольцо и сделать ребро охлаждения, которое одновременно является и фиксатором положения втулки в головке блока цилиндров.
Латунные клапанные втулки применяются в двигателях автомобилей Audi, BMW, Volvo.
Вышеперечисленные свойства латуни позволяют отказаться от винтовых канавок в отверстиях клапанных втулок и сделать втулки впускных и выпускных клапанов одинаковой длины. Так сделано у упомянутых выше иномарок. У части иномарок одинаковыми (короткими) делают ремонтные латунные втулки
Латунные втулки позволяют уменьшить рабочий зазор в паре втулка — стержень клапана, что уменьшает расход масла. Большой коэффициент теплопроводности латуни способствует быстрой передаче тепла от стержня клапана к головке блока цилиндров и далее к охлаждающей жидкости. При выборе марки латуни необходимо иметь в виду, что латуни с большим содержанием цинка более дешевые, лучше обрабатываются резанием, лучше прирабатываются и меньше изнашиваются. Вместе с тем у этих латуней меньше теплопроводность. Более низкая температура латунных втулок способствует более длительной работе маслосъемных колпачков, что также уменьшает расход масла.
К сожалению, у латунных втулок есть и минусы. При нормальном рабочем зазоре «разогретой» втулки зазор у «неразогретой» слишком велик. Так у Audi (латунные втулки) в соединении втулка — клапан зазор у впускных клапанов 0,1 мм, у выпускных 0,13 мм. Тогда как у автомобилей ВАЗ (чугун) соответственно 0,022…0,055 мм и 0,029…0,062 мм, т.е. примерно в два раза меньше. Попытка уменьшить этот зазор всегда приводит к заклиниванию (схватыванию) стержней клапанов латунными втулками.
При изготовлении втулок необходимо обеспечить максимальную соосность внутреннего отверстия (под стержень клапана) и наружных посадочных поверхностей (в головку и под колпачок). Заметим, что у чугунных втулок, поступающих в запасные части, несоос-ность встречается довольно часто.
Если головка блока цилиндров чугунная, то установка специальных направляющих втулок клапанов не обязательна, отверстия под клапаны выполнены непосредственно в головке.
Размеры втулок даны на рис. 17 и 18, в табл. 4. Усилие запрессовки латунных втулок (см. рис. 18) в 2…3 раза меньше, чем чугунных (см. рис. 17). Процесс их запрессовки — легкое постукивание по оправке.
На втулку (см. рис. 18) колпачок напрессовывают нажатием руки на специальное приспособление. А вот спрессовывается колпачок в этом случае значительно труднее, чем со втулки (см. рис. 17).
Определение технического состояния втулок. Пригодность втулки рекомендуется определять по зазору в сопряжении втулка-стержень клапана. Измеряется диаметр стержня и диаметр отверстия во втулке, вычисляется зазор и его величина сравнивается с предельно допустимыми (см. табл. 4). Обычно у отечественных автомобилей предельно допустимый зазор у впускных клапанов 0,15 мм, у выпускных 0,20 мм.
Удобно замерять зазор в сопряжении втулка—клапан следующим образом (рис. 19). Клапан приподнимается над седлом до положения, показанного на рис. 19,а. Нажимаем на клапан в одну сторону и устанавливаем индикатор так, чтобы он опирался ножкой в цилиндрический поясок тарелки клапана. Ставим шкалу индикатора на ноль. Нажимаем на клапан в другую сторону (рис. 19,6) и считываем показания индикатора. Величину зазора в сопряжении втулка—клапан по схеме на рис. 19,а можно оценить и без индикатора, «на ощупь», так как величина косвенного зазора S значительно больше действительного. При пересчете действительных зазоров в косвенные для автомобилей ВАЗ получены следующие величины. Для впускных клапанов зазоры S будут 0,7…0,8 мм, предельно допустимые 1,3 мм. Для выпускных клапанов зазор S 0,5…0,7 мм, предельный 1,0 мм. Уменьшение зазоров S в случае выпускных клапанов связано с увеличенной длиной их втулок (см. рис. 17).
Если зазоры больше нормы, сначала заменяем клапаны. Если чрезмерный зазор не устраняется только заменой клапана, рекомендуется заменить и направляющую втулку.
Направляющая втулка на вид сравнительно простая деталь, однако с ее помощью базируется клапан, и он должен занять вполне определенное положение относительно седла. Геометрия втулки — это не только ее основные размеры, которые можно измерить штангенциркулем, микрометром. В понятие геометрии входит: шероховатость (чистота поверхности), волнистость, точность формы поверхности и точность расположения поверхностей относительно друг друга.
Втулки, поставляемые в запасные части, зачастую непригодны для установки. Часто несоосность цилиндрических поверхностей (d, D) втулки видна невооруженным глазом по разностенности, по заход-ной фаске. Втулки чаще запрессовываются в головку с большим натягом, а бывает, что вставляются почти от руки.
После запрессовки втулки необходимо развертывать. Развертывание — завершающая обработка просверленных и зенкерованных отверстий с целью получения точных по форме и диаметру цилиндрических отверстий с малой шероховатостью (Ra=0,32…1,25 мкм). Развертывание не изменяет положение оси отверстия. Поэтому, если втулка по своей геометрии непригодна к установке, но все же установлена, то после обработки седел фрезами, которые базируются направляющими стержнями по отверстиям во втулках удалить с фасок нагар и наклеп не удается. Фреза «цепляет» седло одним зубом. В таких случаях обычно пытаются исправить положение наклоном развертки в отверстии втулки. В конце такой «обработки» зазор в сопряжении втулка—клапан (с новой втулкой) становится равным зазору при старой втулке и вся работа теряет смысл.
Замена втулок. Чаще рекомендуются «ударные» методы, ниже будут рассмотрены способы замены клапанных втулок при помощи винтовых приспособлений с максимальной унификацией деталей.
Выпрессовка втулки клапана «Жигулей» показана на рис. 20. Поскольку шпильки крепления корпуса распределительного вала вывернуть бывает не так-то просто, есть смысл для крайних клапанов изготовить укороченную шпильку 5 (размеры в скобках) и низкую гайку 7.
Запрессовка новой клапанной втулки (рис. 21) производится при помощи шпильки 5 (см. рис. 20), гайки 4, упора 1 (см. рис. 21) и наконечника 5.
Выпрессовка (рис. 22, 24) и запрессовка (рис. 23, 25) втулок автомобилей «Самара», «Ока» и «Москвич-21412» производится при помощи тех же самых приспособлений, что и для «Жигулей» (см. рис. 20, 21).
При ремонте головок блоков «Москвичей-21412» и «Волг» ГАЗ-31029 приходится сталкиваться с трудностями, когда без предварительного рассверливания втулок просто не обойтись. Причина столь прочной посадки втулок — очень большие натяги в соединении. Дело в том, что головки нагревают до 160…175 °С, а втулки охлаждают в двуокиси углерода («сухой лед») до -40…-45 °С. При таких условиях втулки практически вставляют в отверстия головок, а не запрессовывают (головки двигателей воздушного охлаждения рекомендуют нагревать до 190…210 °С — ЛуАЗ-969М, без охлаждения втулок).
Втулки, поставляемые в запасные части, часто приходится протачивать для уменьшения наружного диаметра на величину до 0,3 мм.
При натягах в соединении втулка—головка до 0,15 мм и более (что примерно в два раза больше рекомендуемых значений) происходит что-то вроде сварки втулок с головкой. В этом случае выпрессо-вать втулки ударным методом не удается, а оправки становятся как грибы со шляпками. При выпрессовке таких втулок на прессе на них остается металл головки блока.
Если рекомендуемые натяги в соединении втулка — головка у автомобилей ВАЗ 0,063…0,108 мм, у «Москвичей» и «Волг» соответственно 0,025…0,064 мм и 0,027…0,087 мм, т.е. меньше; но более тяжелые случаи выпрессовки встречаются именно у последних. Возможно, это связано с большими диаметрами втулок (ВАЗ — 14 мм, «Москвич» — 15 мм, «Волга» — 17 мм).
При рассверливании втулок уменьшается толщина их стенок и давление прижатия втулок к стенкам отверстий в головке. Рассверливание рекомендуется проводить вплоть до толщины стенки втулки 1мм.
Выпрессовка рассверленных втулок при помощи винтовых приспособлений показана на рис. 26, 27. В приспособлениях различными являются только наконечники 3. Шпильку с резьбой М12х1,5 изготавливают из достаточно прочной стали с термообработкой. Например, используется сталь 38ХГСА с термообработкой — улучшением (закалка с высоким отпуском).
Если резьба шпильки накатывается (не нарезается), то ее прочность на разрыв увеличивается примерно на 25 %.
Многие знакомы с такими механическими характеристиками как прочность, деформируемость, упругость; менее известна такая характеристика как энергоемкость или способность запасать упругую энергию. Стали, применяемые для изготовления прочных шпилек, как раз имеют повышенную энергоемкость. В результате при обрыве резьбового конца шпильки он вместе с навернутым на него наконечником буквально выстреливает. Последнее необходимо иметь ввиду при особо тяжелой выпрес-совке втулок.
Вертикальное расположение втулок в головке цилиндров двигателя «Волги» позволяет довольно просто выпрессовать их на прессе (рис. 28). При этом может быть использована оправка, свинчиваемая из двух деталей 2 и 3 или специальная оправка 5 (одна деталь).
